直流电机控制器课程设计.docx
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直流电机控制器课程设计
0引言
现代社会生活中，电动机作为最主要的机电能量转换装置，其应用范围已遍及国民经济的各个领域和人们的日常生活。
无论是在工农业生产，交通运输，国防，航空航天，医疗卫生，商务和办公设备中，还是在日常生活的家用电器和消费电子产品（如电冰箱，空调，DVD等）中，都大量使用着各种各样的电动机。
直流电机调速基本原理是改变电机的电压从而改变转速。
改变电压的方法很多，最常见的一种PWM脉宽调制，调节电机的输入占空比就可以控制电机的平均电压，控制转速。
本文主要研究了利用MCS-51系列单片机，通过PWM方式控制直流电机调速的方法。
PWM控制技术以其控制简单、灵活和动态响应好的优点而成为电力电子技术最广泛应用的控制方式，也是人们研究的热点。
由于当今科学技术的发展已经没有了学科之间的界限，结合现代控制理论思想或实现无谐振软开关技术将会成为PWM控制技术发展的主要方向之一。
由于单片机具有体积小、集成度高、运算速度快、运行可靠、应用灵活、价格低廉以及面向控制等特点，因此在工业控制、数据采集、智能仪器仪表、智能化设备和各种家用电器等领域得到广泛的应用，而且发展非常迅猛。
随着单片机应用技术水平不断提高，目前单片机的应用领域已经遍及几乎所有的领域。
与交流电动机相比，直流电机结构复杂、成本高、运行维护困难，但是直流电机具有良好的调速性能、较大的启动转矩和过载能力强等许多优点，因此在许多行业仍大量应用。
近年来，直流电动机的机构和控制方式都发生了很大的变化。
随着计算机进入控制领域以及新型的电力电子功率元器件的不断出现，采用全控型的开关功率元件进行脉宽调制（PulseWidthModulation，简称PWM）已成为直流电机新的调速方式。
这种调速方法具有开关频率高、低速运行稳定、动态性能良好、效率高等优点，更重要的是这种控速方式很容易在单片机控制系统中实现，因此具有很好的发展前景。
随着现代化步伐的加快，人们生活水平的不断提高，对自动化的需求也越来越高，直流电动机应用领域也不断扩大。
例如，军事和宇航方面的雷达天线，火炮瞄准，惯性导航，卫星姿态，飞船光电池对太阳得跟踪等控制；工业方面的各种加工中心，专用加工设备，数控机床，工业机器人，塑料机械，印刷机械，绕线机，纺织机械，工业缝纫机，泵和压缩机等设备的控制；计算机外围设备和办公设备中的各种磁盘驱动器，各种光盘驱动器，绘图仪，扫描仪，打印机，传真机，复印机等设备的控制；音像设备和家用电器中的录音机，录像机，数码相机，洗衣机，冰箱，电扇等的控制。
1总体设计概述
本课程设计主要是实现PWM调速器的正转、反转、加速、减速、停止等操作。
并实现电路的仿真。
为实现系统的微机控制，在设计中，采用了AT89C51单片机作为整个控制系统的控制电路的核心部分，配以各种显示、驱动模块，实现对电动机转速参数的显示和测量；由命令输入模块、光电隔离模块及H型驱动模块组成。
采用带中断的独立式键盘作为命令的输入，单片机在程序控制下，不断给光电隔离电路发送PWM波形，H型驱动电路完成电机正反转控制。
在设计中，采用PWM调速方式，通过改变PWM的占空比从而改变电动机的电枢电压，进而实现对电动机的调速。
设计的整个控制系统，在硬件结构上采用了大量的集成电路模块，大大简化了硬件电路，提高了系统的稳定性和可靠性，使整个系统的性能得到提高。
1.1设计思想
直流电机PWM控制系统主要功能包括：
直流电机的加速、减速以及电机的正转和反转，并且可以调整电机的转速，还可以方便读出电机转速的大小，能够很方便的实现电机的智能控制。
其间，还包括直流电机的直接清零、启动、暂停、连续功能。
该直流电机系统由以下电路模块组成：
振荡器和时钟电路：
这部分电路主要由89C51单片机和一些电容、晶振组成。
设计输入部分：
这一模块主要是利用带中断的独立式键盘来实现。
设计控制部分：
主要由89C51单片机的外部中断扩展电路组成。
设计显示部分：
包括液晶显示部分和LED数码显示部分。
LED数码显示部分由七段数码显示管组成。
直流电机PWM控制实现部分：
主要由一些二极管、电机和L298直流电机驱动模块组成。
1.2系统总体设计框图
直流电机PWM调速系统以AT89C51单片机为核心，由命令输入模块、LED显示模块及电机驱动模块组成。
采用带中断的独立式键盘作为命令的输入，单片机在程序控制下，定时不断给直流电机驱动芯片发送PWM波形，H型驱动电路完成电机正，反转控制；同时单片机不停的将从键盘读取的数据送到LED显示模块去显示，进而读取其速度。
1.3程序设计流程图
图1-1系统总体设计框图
图1-2定时中断服务流程图
图1.2定时中断服务流程图
2总体硬件电路设计
2.1芯片介绍
2.1.189C51单片机
结构特点：
8位CPU；
片内振荡器和时钟电路；
32根I/O线；
外部存贮器寻址范围ROM、RAM64K；
2个16位的定时器/计数器；
5个中断源，两个中断优先级；
全双工串行口；
布尔处理器。
图2-189C51单片机引脚分布图
2.1.2RESPACK-8排阻
RESPACK-8是带公共端的8电阻排，它一般是接在51单片机的P0口，因为P0口内部没有上拉电阻，不能输出高电平，所以要接上拉电阻。
图2-2RESPACK-8引脚分布图
2.1.3驱动器L298
L298是双电源大电流功率集成电路，直接采用TTL逻辑电平控制，可用来驱动继电器，线圈，直流电动机，步进电动机等电感性负载。
其驱动电压可达46V，直流电流总和可达4A，其内部具有两个完全相同的功率放大回来。
图2-3L298引脚分布图
2.2主电路设计
主体电路：
即直流电机PWM控制模块。
这部分电路主要由89C51单片机的I/O端口、定时计数器、外部中断扩展等控制直流电机的加速、减速以及电机的正转和反转，并且可以调整电机的转速，还可以方便的读出电机转速的大小和了解电机的转向，能够很方便的实现电机的智能控制。
其间，还包括直流电机的直接清零、启动（置数）、暂停、连续功能。
其间是通过89C51单片机产生脉宽可调的脉冲信号并输入到L298驱动芯片来控制直流电机工作的。
该直流电机PWM控制系统由以下电路模块组成：
设计输入部分：
这一模块主要是利用带中断的独立式键盘来实现。
设计控制部分：
主要由89C51单片机的外部中断扩展电路组成。
设计显示部分：
包括液晶显示部分和LED数码显示部分。
数码显示部分LED数码管显示。
直流电机PWM控制实现部分：
主要由一些二极管、电机和L298直流电机驱动模块组成。
图2-4系统主电路图
2.3PWM控制电路设计
2.3.1PWM的基本原理
PWM（脉冲宽度调制）是通过控制固定电压的直流电源开关频率，改变负载两端的电压，从而达到控制要求的一种电压调整方法。
PWM可以应用在许多方面，比如：
电机调速、温度控制、压力控制等等。
在PWM驱动控制的调整系统中，按一个固定的频率来接通和断开电源，并且根据需要改变一个周期内“接通”和“断开”时间的长短。
通过改变直流电机电枢上电压的“占空比”来达到改变平均电压大小的目的，从而来控制电动机的转速。
也正因为如此，PWM又被称为“开关驱动装置”。
如图2-5所示：
图2-5PWM方波
设电机始终接通电源时，电机转速最大为Vmax，设占空比为D=t1/T，则电机的平均速度为Va=Vmax*D，其中Va指的是电机的平均速度；Vmax是指电机在全通电时的最大速度；D=t1/T是指占空比。
由上面的公式可见，当我们改变占空比D=t1/T时，就可以得到不同的电机平均速度Vd，从而达到调速的目的。
严格来说，平均速度Vd与占空比D并非严格的线性关系，但是在一般的应用中，我们可以将其近似地看成是线性关系。
2.3.2PWM控制电路设计
图2-6PWM控制电路图
2.4直流电机单元电路设计
2.4.1直流电机驱动模块
主要由一些二极管、电机和L298直流电机驱动模块（内含CMOSS管、三太门等）组成。
现在介绍下直流电机的运行原理
1.直流电机类型
直流电机可按其结构、工作原理和用途等进行分类，其中根据直流电机的用途可分为以下几种：
直流发电机（将机械能转化为直流电能）、直流电动机（将直流电能转化为机械能）、直流测速发电机（将机械信号转换为电信号）、直流伺服电动机（将控制信号转换为机械信号）。
下面以直流电动机作为研究对象。
2.直流电机结构
直流电机由定子和转子两部分组成。
在定子上装有磁极（电磁式直流电机磁极由绕在定子上的磁绕提供），其转子由硅钢片叠压而成，转子外圆有槽，槽内嵌有电枢绕组，绕组通过换向器和电刷引出,直流电机结构如图2-7所示。
图2-7直流电动机结构
3.直流电机的基本工作原理
图2-8直流电机的基本工作原理图
对图2-7所示的直流电机，如果去掉原动机，并给两个电刷加上直流电源，如上图2-8中图（a）所示，则有直流电流从电刷A流入，经过线圈abcd，从电刷B流出，根据电磁力定律，载流导体ab和cd收到电磁力的作用，其方向可由左手定则判定，两段导体受到的力形成了一个转矩，使得转子逆时针转动。
如果转子转到如上图2-8中图（b）所示的位置，电刷A和换向片2接触，电刷B和换向片1接触，直流电流从电刷A流入，在线圈中的流动方向是dcba，从电刷B流出。
此时载流导体ab和cd受到电磁力的作用方向同样可由左手定则判定，它们产生的转矩仍然使得转子逆时针转动。
这就是直流电动机的工作原理。
外加的电源是直流的，但由于电刷和换向片的作用，在线圈中流过的电流是交流的，其产生的转矩的方向却是不变的。
实用中的直流电动机转子上的绕组也不是由一个线圈构成，同样是由多个线圈连接而成，以减少电动机电磁转矩的波动，绕组形式同发电机。
4.直流电机主要技术参数
直流电机的主要额定值有：
额定功率Pn：
在额定电流和电压下，电机的负载能力。
额定电压Ue：
长期运行的最高电压。
额定电流Ie：
长期运行的最大电流。
额定转速n：
单位时间内的电机转动快慢。
以r/min为单位。
励磁电流If：
施加到电极线圈上的电流。
2.4.2直流电机的中断键盘控制模块
1.外部中断设置
（1）外部中断允许设置
中断控制寄存器IE的EX0对应INT0，EX1对应INT1，EA为中断的总开关，若要开放外部中断，只要将IE对应的位和总开关EA置1即可。
如：
开放外部中断0的设置：
SETBEX0
SETBEA
开放外部中断0和1的设置：
SETBEX0
SETBEX1
SETBEA
（2）外部中断触发方式设置
单片机外部中断有两种触发方式，一种是电平触发方式，另一种是脉冲触发方式，单片机外部中断触发方式与TCON的IT位有关。
TF1
TR1
TF0
TR0
IE1
IT1
IE0
IT0
电平触发设置方法：
CLRITX，为低电平触发方式。
脉冲触发设置方法：
SETBITX＝1，为脉冲下降沿触发方式。
在使用外部中断时，如果不进行设置，则为电平触发方式。
（3）外部优先级设置
外部中断IN0、INT1的中断优先级的设置是通过设置IP寄存器实现的，IP的PX0对应INT0，PX1对应INT1。
PX置1为高级中断，PX为0为低级中断。
×
×
×
PS
PT1
PX1
PT0
PX0
2.外部中断扩展方法
图2-9为外部中断扩展方法，分别代表正转信号，反转信号，加速信号，减速信号，停止信号。
图2-9外部中断扩展电路
3直流电机PWM控制系统的实现
3.1总电路图
图3-1总电路图
3.2总电路功能介绍
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